Оценка функционирования сигнальных кабелей каналов безопасности атомных станций в условиях пожара

Введение. Особенностью сигнальных кабелей систем безопасности на атомных электростанциях (АЭС) является сохранение способности проводить модулированный сигнал в течение времени, необходимого для приведения реакторной установки в безопасное состояние. Однако возможность сигнальных кабелей передавать корректно сигнал в условиях повышенной температуры газовой среды, характерной для начальной стадии пожара в помещении, до настоящего времени не исследовалась.

Цели и задачи. Целью статьи является теоретическая оценка возможности кабелей системы безопасности АЭС передавать корректно модулированный электрический сигнал при одновременном воздействии пожара и токовой нагрузки. Для ее достижения решалась задача теоретического исследования температуры токопроводящей жилы сигнального кабеля на начальной стадии пожара.

Теоретические основы. Для определения температуры жилы кабеля используется стационарное уравнение теплопередачи от жилы кабеля в окружающую среду через цилиндрический слой изоляции.

Результаты и их обсуждение. Получены зависимости температуры токопроводящей жилы одножильного и однопроволочного кабеля КПЭПнг(А)-HF от температуры газовой среды в помещении. Представлены соотношения между температурой газовой среды в помещении пожара и силой тока (кабель расположен вертикально) в электрическом кабеле с учетом зависимости удельного сопротивления провода от температуры при предельно допустимой рабочей температуре жил кабеля 70 °С, предельно допустимой рабочей температуре нагрева жил кабеля в режиме перегрузки 80 °С и максимальной температуре нагрева жил кабеля при коротком замыкании, равной 160 °С. Для различных режимов работы в условиях температур, характерных для начальной стадии пожара в помещении, получены максимальные величины силы тока, позволяющие корректно проводить модулированный сигнал в течение времени, необходимого для приведения реакторной установки в безопасное состояние.

Выводы. Разработанная математическая модель и результаты численных экспериментов позволяют оценить влияние температуры в помещении атомной станции при пожаре на способность сигнального кабеля системы безопасности АЭС передавать неискаженный модулированный сигнал в зависимости от значения токовых нагрузок и вида его расположения (вертикально или горизонтально), а также расширить приведенную в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) зону зависимости температуры в помещении от токовой нагрузки.

1. Мещанов Г.И., Холодный С.Д. Анализ особенностей горения полимерной изоляции кабелей при их групповой прокладке // Кабели и провода. 2010. № 6 (325). С. 10–14.

2. Хасанов И.Р., Варламкин А.А. Экспериментальные методы определения огнестойкости кабельных проходок при пожаре с учетом влияния токов нагрузки // XVII Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» : сб. мат. Москва, 30–31 октября 2018 г. М. : ФКУ Центр «Антистихия» МЧС России, 2018. С. 77–78.

3. Пузач С.В., Лебедченко О.С. Математическое моделирование динамики опасных факторов пожара при пассивной противопожарной защите в основных зданиях атомных электростанций с водо-водяными реакторами : монография. М. : Академия ГПС МЧС России, 2019. 303 с.

4. Титков В.В., Дудкин С.М. Кабельные линии 6–10 кВ и выше. Влияние способов прокладки на температурный режим // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3 (75). С. 2–4. URL: http://www.news.elteh.ru/arh/2012/75/10.php

5. Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры : мат. Всеросс. науч.-метод. конф. Оренбург : ОГУ, 2018. URL: https://conference.osu.ru/archive/publications.html?detailed=14

6. Зыков В.И., Анисимов Ю.Н., Малашенков Г.Н. Противопожарная защита электрических сетей от токов утечки // Снижение риска гибели людей при пожарах : мат. XVIII науч.-практ. конф.. Ч. 1. М. : ВНИИПО, 2003. С. 182–185.

7. Finger H. Advances in fire hazard testing of electrical equipment // IEEE Electrical Insulation Magazine. 1986. Vol. 2. Issue 4. Pp. 24–29. DOI: 10.1109/MEI.1986.290418

8. Гусев С.С. Безопасное управление атомными электростанциями // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2017. № 12. С. 42–45.

9. Benchmark analysis for condition monitoring test techniques of aged low voltage cables in nuclear power plants. Final results of a coordinated research project. IAEA-TECDOC-1825. Vienna : International Atomic Energy Agency, 2017.

10. Cable ageing in nuclear power plants. report on the first and second terms (2012–2017) of the NEA Cable Ageing Data and Knowledge (CADAK) project. NEA/CSNI/R(2018)8. Nuclear Energy Agency, 2018. 58 p. URL: https://www.oecd.org/officialdocuments/publicdisplaydocumentpdf/?cote=NEA/CSNI/R(2018)8&docLanguage=En

11. Csanyi E. Internal electrical systems within nuclear power plant stations (power sources) // Electrical Engineering Portal. 2019. URL: https://electrical-engineering-portal.com/electricalsystems-nuclear-power-plant-stations

12. Пузач С.В., Лебедченко О.С., Сизухин С.В. Обоснование технологии пассивной противопожарной защиты основных зданий АЭС с водо-водяными реакторами на основе расчета огнестойкости ограждающих конструкций // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 1. С. 22–29. DOI: 10.25257/FE.2020.1.22-29

13. Лебедченко О.С. Особенности обоснования технологии пассивной противопожарной защиты основных зданий атомных электростанций с водно-водяными реакторами // Системы безопасности — 2019 : мат. 28-й междунар. науч.-техн. конф. М. : Академия ГПС МЧС России, 2019. С. 291–296.

14. Лебедченко О.С. Оценка обеспечения корректной работы кабелей каналов безопасности атомных станций в условиях пожара // Ройтмановские чтения : сб. мат. VIII науч.-практ. конф. Москва, 05 марта 2020 г. / под ред. Б.Б. Серкова. М. : Академия ГПС МЧС России, 2020. С. 72–75.

15. Cable research in light water reactor related to mechanisms of cable degradation: understanding of role of material type, history, and environment, as well as accelerated testing limitations. US DOE/NRC/EPRI, 2013.

16. Assessing and managing cable ageing in nuclear power plants. NP-T-3.6. Vienna : International Atomic Energy Agency, 2012. URL: https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1554_web.pdf

17. Celina M.C., Gillen K.T., Lindgren E.R. Nuclear power plant cable materials: review of qualification and currently available aging data for margin assessments in cable performance. SAND2013-2388. Sandia National Laboratories, 2013. DOI: 10.2172/1096518

18. Brown J.R., Bernstein R., White G.V., Glover S.F., Neely J.C., Pena G. et al. Submerged medium voltage cable systems at nuclear power plants: a review of research efforts relevant to ageing mechanisms and condition monitoring. SAND2015-1794. Sandia National Laboratories, 2015. DOI: 10.2172/1177756

19. Ageing management of cable in nuclear generating stations. 13395-REP-00001 Rev. 0. Canadian Nuclear Safety Commission, 2012. 131 p. URL: https://www.nuclearsafety.gc.ca/eng/pdfs/about/ researchsupport/reportabstracts/RSP-0284-Final-report.pdf

20. Кутателадзе С.С. Основы теории теплообмена. М. : Атомиздат, 1979. 416 с.